[論文レビュー] Exploring CEvNS with NUCLEUS at the Chooz Nuclear Power Plant

G. Angloher, F. Ardellier-Desages+35 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 7被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、20 eVのエネルギー閾値を有する冷温検出器を用いた、チョーズ原子力発電所における次世代のCE$ν$NS（凝集的弾性ニュートリノ-核子散乱）研究、NUCLEUS実験を提示する。VNS（非常に近接施設）で10 gの標的にて運用され、1年間でCE$ν$NSに対して4σの感度を達成する。これにより、1.8 MeV未満の低エネルギーニュートリノスペクトルのプローブが可能となり、第二段階では1%レベルの高精度な断面積測定が可能となる。

ABSTRACT

Coherent elastic neutrino-nucleus scattering (CE$ν$NS) offers a unique way to study neutrino properties and to search for new physics beyond the Standard Model. Nuclear reactors are promising sources to explore this process at low energies since they deliver large fluxes of (anti-)neutrinos with typical energies of a few MeV. In this paper, a new-generation experiment to study CE$ν$NS is described. The NUCLEUS experiment will use cryogenic detectors which feature an unprecedentedly low energy threshold and a time response fast enough to be operated in above-ground conditions. Both sensitivity to low-energy nuclear recoils and a high event rate tolerance are stringent requirements to measure CE$ν$NS of reactor antineutrinos. A new experimental site, denoted the Very-Near-Site (VNS) at the Chooz nuclear power plant in France is described. The VNS is located between the two 4.25 GW$_{\mathrm{th}}$ reactor cores and matches the requirements of NUCLEUS. First results of on-site measurements of neutron and muon backgrounds, the expected dominant background contributions, are given. In this paper a preliminary experimental setup with dedicated active and passive background reduction techniques is presented. Furthermore, the feasibility to operate the NUCLEUS detectors in coincidence with an active muon-veto at shallow overburden is studied. The paper concludes with a sensitivity study pointing out the promising physics potential of NUCLEUS at the Chooz nuclear power plant.

研究の動機と目的

• 超低閾値冷温検出器を用いて、原子炉施設で凝集的弾性ニュートリノ-核子散乱（CE$ν$NS）を観測すること。
• 1.8 MeV未満の原子炉反ニュートリノスペクトルを、逆ベータ崩壊閾値未満で測定すること。
• 1%レベルの高精度な断面積測定を達成し、標準模型を超える新しい物理を探る。
• 浅い被覆厚さの環境下で低閾値CE$ν$NS実験を実施可能であることを実証すること。

提案手法

• チョーズ原子力発電所の非常に近接施設（VNS）に、20 eVのエネルギー閾値を持つ冷温検出器を設置し、2基の4.25 GW$_{th}$原子炉の間で運用する。
• 異なる核種組成を有する複数の標的を用いて、核反発の依存性の違いによりCE$ν$NSとネイロン背景を区別するマルチターゲット手法を採用する。
• 背景を1 kg·day·keV$^{-1}$未満に抑えるために、能動的および受動的遮蔽技術を実装する。
• ミューオン誘発死時間率を10%未満に保つために、高速応答特性を持つ検出器を採用し、浅い被覆厚さ（約3 m.w.e.）にもかかわらず運用を可能にする。
• 背景寄与をモデル化し、検出器構成を最適化するためにモンテカルロシミュレーションを実施する。
• 地上での運用においてもミューオン連成遮断系を用いて、ミューオン誘発背景をさらに抑制する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 20 eVのエネルギー閾値を持つ冷温検出器を用いて、10 gの標的で原子炉施設でCE$ν$NSを観測できるか？
• RQ2 背景レベルが100 counts/(keV·kg·day)であるチョーズVNSサイトにおいて、NUCLEUS実験のCE$ν$NSに対する感度はどの程度か？
• RQ3 CE$ν$NSを用いて1.8 MeV未満の原子炉反ニュートリノスペクトルをプローブ可能か？また、必要なエネルギー分解能は何か？
• RQ4 低閾値実験において、マルチターゲット手法は、背景形状の事前知識がなくてもCE$ν$NSとネイロン背景を効果的に区別できるか？
• RQ5 NUCLEUS-1kg段階で、CE$ν$NS断面積測定の達成可能な精度はどの程度か？また、低減すべき系誤差は何か？

主な発見

• ベンチマーク背景モデル下で、NUCLEUS-10g実験は1年間のライブタイムでCE$ν$NSに対して4σの感度を達成する。
• ベンチマーク背景モデルを仮定した場合、CE$ν$NSの初観測は1年間のライブタイム以内に予想される。
• 実験は1.8 MeV未満の原子炉反ニュートリノスペクトルをプローブ可能であり、これは逆ベータ崩壊検出では到達できない領域である。
• マルチターゲット手法により、背景形状の事前知識がなくても、核種組成依存性の違いから信号とネイロン背景を区別可能である。
• NUCLEUS-1kg段階では、CE$ν$NS断面積の最終的精度が約1%に達すると予想され、これには反ニュートリノスペクトル予測の改善が不可欠である。
• VNSサイトは、約10$^{12}$ $υ$/(s·cm²)の高い反ニュートリノフラックスと、約3 m.w.e.の浅い被覆厚さを有しており、最小限の遮蔽で運用可能である。